北极黄河站邻近湖泊沉积物有机碳同位素记录及其气候信息

何建华，余 雯，陈立奇，门 武

（1.厦门大学 海洋与环境学院，福建 厦门 361005；2.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005；3.国家海洋局 海洋－大气化学与全球变化重点实验室，福建 厦门 361005）

随着全球气候变化研究的兴起，寻找全球气候变化研究的证据成为科学界研究的热点问题［1－3］，其中以湖泊沉积物中有机碳同位素作为重要环境指标的研究课题得到地球科学界的普遍重视［4－6］。国内外学者通过对湖泊沉积物中有机碳同位素的组成变化特征及其影响因素等多方面的综合研究，建立了多种古气候、古环境意义的解释模式，在研究第四纪以来的古气候环境变化方面取得诸多成果［7－10］。但是，湖泊沉积物有机碳同位素组成变化受很多因素的影响，如湖泊的水化学性质、湖泊的营养化过程、大气CO2浓度、沉积环境等。由于气候系统的复杂性和地质环境的多样性，不同地区、不同类型的湖泊沉积物中有机碳同位素表征的古气候环境意义通常并不相同［11－14］。

北极由于其对全球气候变化的敏感和反馈作用而备受研究者的青睐，是全球气候变化研究的重点区域之一［7－8］。黄河站是我国首座北极科学考察站，座落于挪威斯匹次卑尔根群岛上，该群岛是世界上保持原生自然的几个岛屿之一，由大峡湾、冰川、冰碛岩、冰川河流、山和一个典型的苔原生态系统所包围，其地形地貌、地层系统、生态环境的复杂多样性，为海洋、大气、冰川与海冰、生物生态、地质、大地测量等学科的研究提供天然场所，被科学家们认为是天然实验室。因此，研究北极湖泊沉积物中有机碳同位素的组成和分布对重建北极的古气候环境，了解北极气候变化的历史情况具有重要的现实意义。

本研究拟对北极黄河站附近两个湖泊的沉积速率和沉积物柱样中δ13C的垂直分布进行分析，为了解过去北极气候变化提供借鉴。

1 主要实验材料

1.1 主要试剂

浓盐酸、浓硝酸、氨水和盐酸羟胺：均为分析纯，广东西陇化工股份有限公司生产。

1.2 主要仪器

7200-08型α谱仪：美国Canberra公司；FLASH1112元素分析仪：德国 Ther mo-Finnigan公司；85-2型恒温磁力搅拌器：上海司乐仪器有限公司。

2 实验方法

2.1 样品采集与预处理

2007年7月和8月，在北极黄河站附近的两个湖泊中采集了2个沉积物柱样（1号柱样：78°56.489′N，11°49.194′E；2 号 柱 样：78°56.554′N，11°51.576′E），柱样长度分别为18 c m和25 c m，采样站位图示于图1。样品采集上来后，密封平置后带回实验室。在实验室按1 c m的间距分割样品，50℃下烘干，用锡箔纸包装后装入密封袋，置于冰柜中冷冻保存，备用。

2.2 沉积速率的分析

采用国际上常用的测定210Pb第三代子体210Po的方法［15］进行沉积速率分析。将2.1节制备的样品称重后研细至0.25～0.84 mm（60～80目），定量加入示踪剂209Po，分别经浓硝酸和浓盐酸消解后，用2 mol／L盐酸浸取出溶液，然后通过自沉积将210Po沉积在银片上制成测量源，最后在α谱仪上测量210Po的比活度［15］。

2.3 δ13 C的分析

用无机酸淋洗沉积物样品以清除其中的无机碳，再于50℃下烘干48 h，然后置于干燥器中冷却至室温。采用元素分析仪对冷却样品进行碳同位素的测定［16］，元素分析－同位素比值质谱（EA-IRMS）的工作条件为：柱长 3 m、柱温50℃、载气流速80 mL／min。碳同位素结果以δ13CPDB（‰）表示，其计算公式［16］为：δ13CPDB（‰）＝［（13C／12C）Sa／（13C／12C）St－1］×1 000‰

式中（13C／12C）Sa和（13C／12C）St分别为样品和CO2参考标准气的碳同位素比值。

图1 采样站位示意图

3 结果与讨论

3.1 沉积速率

沉积物中210Pb的来源有两个：一是经大气沉降进入水体后沉积下来的过剩210Pb（210Pbex），另一个则是由沉积物中的226Ra衰变产生的210Pb（即本底值），其中210Pbex是总的210Pb与本底值之间的差值。将两个柱样中总210Pb和过剩210Pb（210Pbex）的比活度的自然对数值对校正深度作图，并对衰减区中210Pbex比活度进行线性拟合，结果示于图2。由图2可以看出，两个沉积物柱样没有受到扰动，从表层开始，210Pb放射性活度随深度而减少，当达到一定深度后则进入了210Pb的本底区。根据图中拟合直线的斜率［15］可计算出1号柱和2号柱的沉积速率分别为1.05 mm／a和0.91 mm／a，并由此可计算出2个柱样的沉积年龄在200～300年间。

3.2 δ13 C垂直分布

分别选取了1号柱样和2号柱样中部分层位的样品进行有机碳同位素分析，分析结果列于表1。

根据沉积速率可以计算出不同层位对应的年代。以δ13C为横坐标，沉积物深度和对应的年代为纵坐标作图，可以得到δ13C随年份的变化趋势，结果示于图3。

表1结果显示：1号柱样中δ13C的变化范围为－26.038‰～－24.882‰，平均－25.484‰；2号柱样中δ13C的变化范围为－25.385‰～－23.928‰，平均－25.068‰。从图3可以看出，两根柱样中δ13C随时间的变化趋势基本一致，均呈现出“降低－增加－降低－增加－降低”的趋势。

图2 210 Pb比活度的垂直剖面

表1 不同深度沉积物中δ13 C含量

图3 沉积物中有机碳同位素含量垂直分布图（图中虚线为δ13 C的总体变化趋势线）

3.3 δ13 C指示古气候的依据

湖泊沉积物中有机碳的主要来源有两个：一个是内源湖泊生物（如水生植物、浮游藻类等），另一个是来自湖区周围随湖水流入带入的陆生植物。陆生植物按光合作用方式的不同可分为C3植物、C4植物和CA M植物。C4植物适应干旱炎热的气候，C3植物适应寒冷、水分充足的环境，CA M植物则一般生长在蒸发量很大的沙漠地区。而C3和C4植物因光合作用固碳方式的不同，使得在生化反应过程中发生同位素分馏作用［17］，而当植物死亡后，其同位素特征将被固定在植物体内，在分解、埋藏过程中，如未发生成岩作用，则该特征将保存在沉积物的有机质中，因此，通过对沉积物有机质的同位素特征研究，可获得其母体（植物）生长期间的气候环境信息。

Degens在总结现代海洋沉积物中有机质的δ13C时指出，高纬度寒冷地区沉积物中有机质具有较低的δ13C，而低纬度温暖地区沉积物中的δ13C则较高［18］。通常情况下，一般C3植物具有较轻的碳同位素组成［19］，其δ13C为－34‰～－22‰，平均－27‰；C4植物则较重，δ13C值为－19‰～－9‰，平均－13‰。

采样点湖泊的周边环境中苔原植物是一种优势植物群落，因此可以判断湖泊沉积物物种的有机质来源于陆生植物，而从两个柱样中δ13C分布来看，δ13C分布区间在－26.038‰～－23.928‰，落在C3的δ13C分布范围内，此外，从总沉积物的表观上看，并未发现明显的成岩作用痕迹，因此，可以用C3的分布模式来讨论该黄河站湖区的气候特征。

3.4 过去300年间黄河站的气候变化

从3.3节的讨论可知，黄河站湖区沉积物中有机碳符合C3的特征，通常情况下C3植物中有机碳δ13C与气温成正比关系［16］。结合沉积物柱样的年龄及δ13C含量的分析结果，大体可将过去300年间黄河站的气候变化分为5个阶段：A-B阶段、B-C 阶段、C-D 阶 段、D-E 阶 段、E-F阶段。

1）A-B阶段。沉积物中的δ13C含量随时间逐渐变轻，表明该阶段的气温开始逐渐降低。

2）B-C阶段。沉积物中的δ13C含量随时间逐渐变重，表明该阶段的气温开始回暖。

3）C-D阶段。沉积物中的δ13C含量随时间又逐渐变轻，表明该阶段的气温又开始逐渐降低。

4）D-E阶段。该时间段内，沉积物中的δ13C含量的变化趋势与B-C阶段类似，表明该阶段的气温又开始逐渐升高。

5）E-F阶段。随着沉积物中δ13C含量逐渐变轻，呈现出与A-B阶段和C-D阶段类似变化趋势，表明该阶段的气温表现出降低的趋势。

此外，从图3还可以看出，两个柱样中δ13C含量随时间延长呈降低趋势，表明该区域的气温在过去300年间可能存在变冷的趋势。

需要说明的是，由于陆地植物对气候变化的响应有一定的滞后性，而本研究中也受样品量的限制，无法对样品作更深入的分析，造成时间分辨率较低［20］。因此只能大体反映气候的变化趋势。

4 结 论

δ13C在指示湖泊沉积物所反映的气候变化方面有一定的可信度，可以作为冷暖波动的代用指标之一。本研究中结合对北极黄河站附近两个湖泊的沉积速率和沉积物柱样中δ13C的垂直分布分析可以看出，黄河站区域的气温在过去300年间经历了“降低－升高－降低－升高－降低”这样一个变化模式，且总体可能存在降低的趋势，这与王国等［21］的研究结果相近，即过去400年来，北极的温度并非保持一成不变或呈现单一变化趋势，而是存在不同周期的升高和降低的过程。

有关北极气温更为具体的变化趋势，尚需在后续的工作中进一步做分析研究，以便得出更准确的结论。

［1］ Cai P，Rutgers van der Loeff M，Sti mac I，et al.Low export flux of particulate organic car bon in the central Arctic Ocean as revealed by234Th：238U disequilibrium［J］.J Geophysical Research，2010，115：C10037，doi：10.1029／2009JC 005595.

［2］ Cai W，Chen L，Chen B，et al.Decrease in the CO2uptake capacity in an ice-free arctic ocean basin［J］.Science，2010，329：556-559.

［3］ Giddings JA，Wallace MW.Facies-dependentδ13C variation fro m a Cryogenian platfor m mar gin，South Australia：Evidence for stratified Neoproterozoic Oceans？［J］.Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecolgy，2009，271：196-214.

［4］ Shen J，Yang LY，Yang XD，et al.Lake sedi ment records on cli mate change and hu man activities since t he Holocene in Er hai catch ment，Yunan Province，China［J］.Science in China：Series D，2005，48（3）：353-363.

［5］ Philip AM.Applications of organic geochemistry to paleoli mnological reconstructions：a summary of example fro m t he Laurentian Great Lakes［J］.Organic Geochemistry，2003，（34）：261-289.

［6］ Wan GJ，Bai ZG，Qing H，et al.Geochemical records in recent sedi ments of Lake Er hai i mplications for environmental changes in low latitudehigh lake in south west China［J］.Jour nal of Asian Earth Sciences，2003，21：489-502.

［7］ Rod Smith I.Diamictic sedi ments within high Arctic lake sedi ment cores：evidence f or lake ice rafting along the lateral glacial mar gin［J］.Sedi mentology，2000，47（6）：1 157-1 179.

［8］ Frechette B，Wolfe AP，Miller GH，et al.Vege-tation and cli mate of the last interglacial on Baffin Island， Arctic Canada［J］. Palaeogeography，Palaeocli matology，Palaeoecology，2006，236：91-106.

［9］ Shen J，Yang LY，Yang XD，et al.Lake sedi ment recor ds on cli mate change and hu man activities since the Holocene in Er hai catch ment，Yunan Province，China［J］.Science in China：Series D，2005，48（3）：353-363.

［10］王秋良，谢远云，梅惠.湖泊沉积物中有机碳同位素特征及其古气候环境意义［J］.安全与环境工程，2003，10（4）：17-21.

［11］张成君，陈发虎，尚华明，等.中国西北干旱区湖泊沉积物中有机质碳同位素组成的环境意义：以民勤盆地三角城古湖泊为例［J］.第四世纪研究，2004，24（1）：88-94.

［12］马振兴，黄俊华，魏源，等.鄱阳湖沉积物近8 ka来有机质碳同位素记录及古气候变化特征［J］.地球化学，2004，33（3）：279-285.

［13］吴艳宏，李世杰，夏威岚.可可西里苟仁错湖湖泊沉积物元素地球化学特征及其环境意义［J］.地球科学与环境学报，2004，26（3）：64-68.

［14］陈敬安，万国江，汪福顺，等.湖泊现代沉积物碳环境记录研究［J］.中国科学：D辑，2002，32（1）：73-80.

［15］邹汉阳，曾文义，程汉良，等.沉积物中210Pb、210Po和226Ra的分析及现代沉积速率的测定［J］.海洋通报，1985，4（6）：10-14.

［16］庄川灵，胡馨月，曹建平.长江口外冲淡水区悬浮颗粒物种总有机碳和叶绿素α的碳同位素分布［J］.厦门大学学报：自然科学版，2007，46（1）：49-53.

［17］沈吉，吴瑞金，安芷生.大布苏湖沉积剖面有机碳同位素特征与古环境［J］.湖泊科学，1998，10（3）：8-12.

［18］Degens ET.Organic Geochemisty［M］.Springer，England：Heidelber University Publication，1969：304-329.

［19］周德全.湖泊沉积记录与过去全球变化［J］.矿物岩石地球化学通报，2006，35（3）：206-265.

［20］沈吉，王苏民，羊向东.湖泊沉积物中有机碳稳定同位素测定及其古气候环境意义［J］.海洋与湖沼，1996，27（4）：400-404.

［21］王国，张青松.400年来北极巴罗角的温度变化特征［J］.极地研究，1998，10（1）：11-16.